العمود عنصر إنشائي ينصب بشكل عامودي و وظيفته نقل الحمولات من ما فوق العمود إلى ما أسفله و كذلك عنصر مقاوم لمختلف العوامل (الزلازل والرياح…) لذلك ، يجب دائمًا اهتمام خاص للأعمدة المعرضة للفشل في الهيكل من أجل منع حدوث الإنهيار .أحد الجوانب التي تكون فيها الأعمدة عرضة للفشل هي حدوث طابق اللين .يعرف الطابق اللين The Soft Story بأنه الطابق الذي يحدث فيه تغير مفاجئ في القساوة للعناصر المقاومة للأحمال الجانبية .إن إي عدم استمرارية ناتج عن تغير مفاجئ في المنشأة عادةً ما يكون مصدراً لإجهاداتٍ استثنائية، و هذا يشمل حالات التحميل الساكن و يصبح حرجاً من أجل الحمولات الديناميكية، فالزيادة أو النقصان المفاجئان في الصلابة يحدثان تضخيماً في التشوهات و الإجهادات في المنشأ المعرض لحمولات الطاقة (الطاقة الزلزالية مثلاً).
إن الطابق اللين يمكن أن يحدث في الطوابق العليا إلا أنه أكثر شيوعاً في مستوى الطابق الأرضي بين منظومة الأساسات الصلبة و المنظومة الأكثر صلابة نسبياً للمنسوب الأعلى.
من أكثر الأساليب التي تؤدي إلى نشوء مشكلة الطابق اللين تصميم أحد الطوابق (غالباً الطابق الأرضي) بحيث يكون أطول و/أو ذو فتحات أكثر، و هذا الأسلوب مستخدم بشكلٍ شائعٍ جداً في الأبنية التجارية المتعددة الطوابق، و في المنشآت التي يترك فيها الطابق الأرضي دون استثمار.
نوع آخر من الأعمدة التي قد تتعرض للكسر ، خاصة كسور القص ، و توجب التدعيم ، هي الأعمدة القصيرة . تشير الأعمدة القصيرة إلى الأعمدة التي لا تقل نسبة ارتفاعها إلى الحد الأدنى للأبعاد عن 3 ولا تزيد عن 12.
طريقة تدعيم الأعمدة باستخدام FRP :
تتم تقويه الاعمدة في الأحوال التي تكون الرغبة في زيادة تحمل العمود سواء لزيادة عدد الادوار أو بسبب وجود خطا في التصميم ،مقاومة الانضغاط لخرسانة العمود أو نسبة و نوعية حديد التسليح اقل من المنصوص عليه في المواصفات القياسيه ،وجود شروخ مؤثرة في العمود ، وجود صدا في حديد التسليح و تطبيل في الغطاء الخرساني ، وجود تعشيش مؤثر في خرسانة العمود . يعد استخدام مواد FRP طريقة سريعة وفعالة من حيث التكلفة لتدعيم الأعمدة الخرسانية. اليوم ، تكلفة تدعيم الأعمدة الخرسانية باستخدام FRP منخفضة مقارنة بالطرق التقليدية و هي سهلة و سريعة في التنفيذ .
ميزات استخدام الياف الكربون فى أعمال التدعيم:
- خفيفة الوزن
- سرعة عالية في التدعيم
- سمك منخفض
- تكلفة منخفضة نسبيًا
- قد تكون هى الحل الأمثل أو الوحيد فى بعض الحالات التى لا تتوفر فيها مساحة كافية لاستخدام قطاعات حديدية ضخمة.
حين ما تتعرض الأعمدة للقوى الجانبية مثل الرياح و الزلازل ،مسألة قدرة امتصاص الطاقة و مطيلية العمود تكون أمر مهما . عند استخدام الياف الكربون مع زيادة قدرة القص للعمود ، تنقل آلية إنهيار العامود من القص الى الإنحناء و تزيد من قدرة مطيلية المبنى . مع زيادة الحمل على العمود تميل الخرسانة الى الفتح في اتجاه المعاكس للحمل الموجود . تطويق العمود مع لف الألياف الكربون أو الزجاج حوله ، الأمر الذي ينتج عنه زيادة في طاقة تحميل العامود بما يصل الى الضعف و بطبيعة الحال ، فإن أهم تأثير لهذه الألياف هو زيادة قدرة المطيلية الخرسانة بمقدار 5 مرات.
أثناء تقوية الأعمدة الخرسانية باستخدام FRP و تطويق (تحزيم) العمود بها ، تزداد قوة الضغط للعمود .في الواقع ، تتمتع الخرسانة المطوقة بمقاومة قوى الضغط أعلى بكثير من الخرسانة غير المطوقة ،لأن تغليف العمود يسبب ضغطًا إضافيًا على الخرسانة ، و الذي يسبب بزيادة قوة العمود لتحمل قوى الضغط .
في هذه الطريقة ، نضع الألياف بشكل عمودي على المحور الطولي للعضو بشكل تطويق
تشمل أنواع الأعمدة الخرسانية التي يمكن تدعيمها بمواد FRP :
- الأعمدة ذات المقطع الدائري
- الأعمدة ذات المقطع المستطيل
- الأعمدة المربعة
- الأعمدة المسبقة الصنع
ميزات وخصائص تقوية الأعمدة الخرسانية باستخدام FRP :
- زيادة في مقاومة الانحناء للعمود
- زيادة في مقاومة القص للعمود
- زيادة في مقاومة الضغط للعمود
- زيادة في مقاومة التآكل
- بدون حاجة الى الصيانة
- السيطرة على توسيع الشقوق و عرض الشقوق
- سمك صفائح FRP منخفض و ليس هناك تغيير كبير في أبعاد العنصر
- سهولة التطبيق و يمكن تثبيته على جميع الأسطح ، بما في ذلك الفولاذ و الخرسانة
- تكلفة منخفضة نسبيًا
- زيادة في المطيلية
تصميم و حساب تقوية الأعمدة الخرسانية باستخدام FRP :
كما ذكرنا ، فإن الخرسانة المطوقة لديها مقاومة قوى الضغط أعلى بكثير من الخرسانة غير المطوقة . في الواقع ، حصر الخرسانة يتسبب في ايجاد ضغط جانبي للخرسانة مما يؤدي الى زيادة مقاومة العمود للقوى الضغط المحورية .
بشكل عام ، يؤدي تغليف الخرسانة إلى زيادة كبيرة في السعة المحورية و قابلية مطيلية العمود . حين ما تتعرض الأعمدة للقوى المحورية يسبب انفعالات عرضية في العمود . لذلك ، عندما يكون العمود محاطا ببوليمر مدعم بالألياف ، يتم التحكم في الانفعالات العرضية مما يزيد من مقاومة المحورية للعمود . بناء على نتائج البحوث و التجارب تغليف العمود بألياف FRP ، هي طريقة فعالة للغاية لتحسين أداء الأعمدة النحيفة من حيث زيادة القوة و المطيلية ، خاصة في الأحمال الزلزالية .
تأثير إحاطة أعمدة الخرسانية المستطيلة بواسطة FRP أقل من الأعمدة الدائرية ، لأن ضغط الناتج من تغليف في الأعمدة المستطيلة على عكس الأعمدة الدائرية ليست موحدة و جزء من تغليف السطح سيكون مؤثر .في الأعمدة المستطيلية يجب تدوير الحواف لزيادة قدرة تحمل الأعمدة الخرسانية المحملة محوريا .
آليات فشل الأعمدة الخرسانية تحت حمل الزلازل و الحاجة إلى تدعيم الأعمدة الخرسانية باستخدام FRP :
فشل الناتج عن قوى القص :
أكثر طرق الفشل الغير مرغوب فيها هي فشل القص في العمود ، في البداية ، تظهر شقوقا مائلة في الخرسانة ، تحدث بعد تكسير حديد التسليح العرضي أو الأطواق . و بعد انفعالات الأسياخ الطولية يحدث الفشل أو الإنهيار للعنصر .
فشل الناتج عن إنشاء مفصل لدن في أعمدة خرسانية :
حالة الفشل هذه ملحوظة للغاية بعد الزلزال و عادة ما تحدث في نهايات العمود و تقتصر على منطقة صغيرة . في هذه الحالة تتم إزالة الجزء من الغطاء الخرساني اولا ثم يتم تكسر في الأطواق العرضية و من ثم الأسياخ الطولية .
فشل في منطقة تثبيت الأسياخ الجديدة في الأعمدة :
بشكل عام خلال الزلزال ، تكون نهايت العمود تحت قوى الإنحناء الشديدة إذا كان طول التثبيت قصيرًا جدًا أثناء التحميل ، سيتم فصل حديد التسليح . يمكن منع هذا النوع من الفشل باستخدام نظام تدعيم FRP من خلال وضعه في الأماكن التي لا تكون طول التثبيت كاملة .